Une « rivière cosmique » a été vue en train de nourrir une galaxie

Dans les galaxies se forment des ensembles parfois appelés pouponnières d’étoiles. Ce sont des zones denses, où le gaz se rassemble jusqu’à former des cœurs protostellaires qui, plus tard, donneront naissance à des étoiles.

En dézoomant un peu, il est courant de visualiser ces galaxies comme des ensembles compacts où la matière se rassemble ou se disperse dans une dynamique constante. Mais les galaxies ne sont pas uniquement mues de l’intérieur, elles ont parfois un peu d’aide externe.

Cette aide est au cœur d’une étude parue dans la revue Science, ce 30 mars. Les auteurs ont détecté un courant intergalactique qui transporte du gaz jusqu’aux galaxies. « C’est un courant de gaz froid qui se dirige vers une galaxie massive, résume pour Numerama le principal auteur, Bjorn Emonts. « Il fournit du matériel brut pour former des milliards de nouvelles étoiles. »

Une rivière cosmique nourricière 

L’astronome de l’Observatoire national de radioastronomie de Charlottesville, aux États-Unis, s’est servi pour cela du télescope ALMA, au Chili, pour repérer ce courant. Ils ont visé une galaxie massive poétiquement nommée 4C41.17, à un redshift 3,8 — ce qui signifie qu’elle est née il y a 10 ou 12 milliards d’années, relativement peu de temps après le Big Bang. Le courant a été difficile à repérer car il n’est pas très dense, et s’étend sur 100 kiloparsec, soit plus de 300 000 années-lumières ! Ce qui est plus grand encore que la galaxie vers laquelle il se dirige.

Contrairement aux apparences, trouver un ensemble aussi vaste est plutôt difficile, car les télescopes qui regardent aussi loin dans l’Univers ont plutôt tendance à vouloir se concentrer sur une zone en particulier pour pouvoir en observer toutes les caractéristiques. Ici, il a plutôt fallu se servir de la résolution la plus basse pour maximiser la sensibilité du télescope sur une lumière émise par un gaz froid.

Une méthode qui a permis d’aboutir à un résultat longtemps prédit par les simulations, mais jamais démontré. « Des modèles informatiques prévoyaient l’existence de ces courants, mais c’est la première fois que nous en observons réellement un », précise Bjorn Emonts. « Ce sont un peu comme des rivières qui s’écoulent dans l’océan. Mais les rares études qui en ont trouvé se concentraient sur des courants de gaz chaud, ce qui n’est pas adapté pour former des étoiles. » Dans cette étude, le courant est décrit comme formé d’une grande quantité de gaz carbonique froid : « C’est un peu comme une rivière, mais qui transporterait cette fois des nutriments dans ses sédiments ! »

Cette découverte est cruciale pour la compréhension de la formation des galaxies aux débuts de l’Univers. Car il faut rappeler que l’image que nous observons aujourd’hui de 4C41.17 nous vient d’un lointain passé, il y a plus de 10 milliards d’années, à une époque où l’Univers était très différent de ce qu’il est aujourd’hui.

Un matériel essentiel dans un jeune Univers

Une époque où les galaxies n’étaient pas des îles isolées du reste de l’Univers, mais où les influences extérieures étaient bien plus grandes qu’aujourd’hui. Autrement dit, ce courant n’est pas un bonus accordé à la galaxie, mais bien sa source principale de matériel pour former les étoiles selon Bjorn Emonts : « Nous pouvons évaluer quelle quantité de matière le courant dépose dans la galaxie, et il s’avère que ça correspond quasiment au nombre d’étoiles qui y sont créées chaque année. Donc 4C41.17 a besoin de ce courant pour grandir. » Sans ce courant, elle serait devenue un cimetière de vieilles étoiles d’ici 500 millions d’années à peine. Aujourd’hui, elle est pourtant une des plus grandes galaxies de cette époque de l’Univers.

Un mécanisme qui est très différent de celui rencontré par des galaxies plus jeunes comme notre Voie lactée. Ici, la vraie source de croissance est l’amalgame de plus petites galaxies qui forment des ensembles plus grands. « Il y a bien le courant magellanique », ajoute Bjorn Emonts, « mais c’est complètement différent : il s’agit plutôt de débris de plus petites galaxies ».

La question qui reste en suspens est : comment ce gaz froid a pu se former ? Une question légitime puisque la théorie veut qu’après le Big Bang, le gaz disponible dans la toile cosmique de l’Univers, avant la formation des galaxies, soit très chaud. Et qu’il ait besoin de plusieurs milliards d’années pour se refroidir. Un laps de temps auquel ce courant n’a pas eu droit puisqu’il s’est formé seulement deux milliards d’années après le Big Bang, ce qui est beaucoup trop tôt.

Dans un papier de perspective qui accompagne l’étude, l’astronome Caitlin Casey de l’Université du Texas, considère que cette étude est un grand pas en avant pour comprendre les mécanismes encore mal connus des courants de gaz froid, mais qu’il reste encore du chemin à parcourir : « Ce courant est riche en carbone, mais c’est un élément lourd qui se forme dans les étoiles. Nous pensons donc qu’il a utilisé du matériel recyclé pour aller nourrir d’autres galaxies. (…) Avoir des observations qui collent aussi bien aux prévisions des simulations fut un travail de longue haleine. »

Heureusement, l’étude de Bjorn Emonts pourrait être un pas décisif. Maintenant que l’équipe a identifié la bonne méthode pour détecter efficacement un de ces courants, il est probable que d’autres soient dénichés. « Ce sera difficile », déplore Bjorn Emonts. « Nous pensons pouvoir en trouver d’autres avec ALMA, mais comme il faut faire un « de-focus » pour en trouver, il faudrait des observations uniquement dédiées à ça, ce qui n’arrive pas souvent. »